火山噴發(fā)前的“化學(xué)倒計時(shí)”,Neoscan顯微CT助力巖漿同化機制研究

用戶(hù)案例｜讀懂火山噴發(fā)前的“化學(xué)倒計時(shí)"，Neoscan 顯微CT助力巖漿同化機制研究！

在地質(zhì)研究中，“時(shí)間"是一項最難精確捕捉的變量。尤其是在火山噴發(fā)這樣的突發(fā)性地質(zhì)事件中，巖漿從深部穿越地殼、與圍巖反應、最終噴出地表，這一過(guò)程可能僅在數天乃至數小時(shí)內完成。如何獲取噴發(fā)前這一關(guān)鍵窗口的“時(shí)間密碼"？美國西華盛頓大學(xué)的研究團隊給出了一個(gè)新思路——通過(guò)分析火山碎屑中石英晶體周?chē)膯涡陛x石反應邊（clinopyroxene reaction rims），重建巖漿同化至噴發(fā)的時(shí)間過(guò)程。而這項研究中，Neoscan 高分辨顯微CT 成為揭示這一微觀(guān)結構演化過(guò)程的關(guān)鍵工具。

PART  1  研究背景

Cinder Cone 是位于加利福尼亞州 Lassen 國家火山公園的一座單成因火山，其最近一次噴發(fā)發(fā)生在 1666 年，具有重要的地質(zhì)研究?jì)r(jià)值。該火山的噴發(fā)風(fēng)格多樣，從夏威夷式（低爆發(fā)性）到斯特龍博利式（中高爆發(fā)性），這種爆發(fā)風(fēng)格的變化并非由巖漿的粘度或揮發(fā)性差異引起，而是可能與巖漿上升速率有關(guān)。

此外，Cinder Cone 的火山灰和熔巖中廣泛存在石英晶體，這些晶體很可能是通過(guò)巖漿與下方花崗巖基巖的同化作用形成的。石英晶體周?chē)ǔ０?zhù)一種稱(chēng)為反應邊的單斜輝石，本研究借助 Neoscan N80 高分辨顯微CT 旨在探討這種反應邊的厚度是否可以作為巖漿上升速率的計時(shí)器，并利用單斜輝石和熔體（現為火山玻璃）的地球化學(xué)數據，更好地理解反應邊的結晶過(guò)程及其時(shí)間尺度。

PART  2  研究目的與方法

研究目的

本研究旨在：

1. 探索包裹在石英異晶外的單斜輝石反應邊是否可用于量化巖漿從同化至噴發(fā)的時(shí)間尺度；

2. 判斷不同噴發(fā)階段的反應邊厚度是否與巖漿上升速率有關(guān)，從而間接反映噴發(fā)風(fēng)格變化；

3. 利用顯微分析技術(shù)，理解反應邊的成因、形成條件及其地球化學(xué)特征。

研究方法

1. 樣品采集與分層：采自辛德錐火山三個(gè)不同時(shí)期噴發(fā)的火山碎屑（Unit 1、2、3），包括密實(shí)黑色、泡狀金色等多種組分，依據地層位置確定噴發(fā)階段。

    

2. 顯微 CT（MicroCT）掃描：

   用于觀(guān)察石英晶體內部是否有反應邊；

   測量石英晶體尺寸及反應邊厚度；

   以非破壞方式獲取晶體3D結構，節省研磨取樣時(shí)間。

    

3. 掃描電子顯微鏡（SEM）成像與能譜分析（EDS）：

   對石英、反應邊和夾層熔體進(jìn)行高分辨率成像；

   測定其化學(xué)成分和結構特征；

   判斷反應邊與石英和圍巖接觸帶的相互作用。

研究中使用的 Neoscan N80 高分辨顯微CT

PART  3  結果與討論

石英晶體的嵌套結構

在 SEM 圖像中，研究者觀(guān)察到大多數石英晶體具有明顯的三層“嵌套結構"：中心為石英晶體，其外是一圈氣泡豐富的熔體透鏡，最外層則為單斜輝石反應邊。這種結構表明，當石英異晶進(jìn)入高溫玄武質(zhì)巖漿中后，先是發(fā)生部分熔融，隨后由于化學(xué)不平衡誘發(fā)礦物反應，在外圍結晶出新的輝石礦物。

但也有部分石英晶體沒(méi)有形成明顯反應邊，直接與玄武質(zhì)基質(zhì)接觸。這種現象可能意味著(zhù)巖漿上升速度過(guò)快，導致反應邊未及形成。

展示了來(lái)自 Cinder Cone 火山灰按孔隙度遞增序的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。最左邊的圖像是金色火山灰團塊，中間的圖像是黑色火山灰團塊，而最右邊的圖像是致密火山灰團塊。

這張圖展示了在掃描電子顯微鏡（SEM）下拍攝的三種不同類(lèi)型的圖像。每張圖像都是同一石英晶體。從左到右分別是背散射電子（BSE）圖像、陰極發(fā)光（CL）圖像和陰影（SE）圖像。BSE 圖像顯示了團塊的晶體結構，CL 成像展示了石英晶體的生長(cháng)帶，而 SE 陰影圖像顯示了樣品的表面。

來(lái)自樣品1、2和3的石英團塊的掃描電子顯微鏡（SEM）背散射電子（BSE）成像。每個(gè)單元至少有一個(gè)石英晶體具有極小或沒(méi)有單斜輝石反應邊，以及具有單斜輝石反應邊的石英異晶體。

反應邊厚度與噴發(fā)風(fēng)格無(wú)直接相關(guān)性

研究測得的反應邊平均厚度如下：

1. SEM 測量結果：Unit 1 為 23.3 μm，Unit 2 為 49.0 μm，Unit 3 為 33.8 μm；

2. 顯微 CT 測量結果：Unit 1 為 58.3 μm，Unit 2 為 59.0 μm，Unit 3 為 70.5 μm。

顯微CT反應邊厚度和直徑測量方案。擴展的石英晶體上的每條線(xiàn)對應相同顏色的長(cháng)度值。上圖所示的石英是來(lái)自火山灰團塊2CC02-H2D的Qtz #41，這是在顯微CT下分析的49個(gè)石英晶體之一。

圖表描述了石英晶體的等效直徑（以微米計）與單斜輝石反應邊厚度（以微米計）之間的關(guān)系。所展示的數據是通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）成像技術(shù)收集的。

圖表展示了石英晶體的等效直徑（以微米為單位）與單斜輝石反應邊厚度（以微米為單位）之間的關(guān)系。所呈現的數據是通過(guò)顯微CT成像技術(shù)收集的。

數據表明三個(gè)噴發(fā)階段之間的反應邊厚度無(wú)顯著(zhù)差異，難以支持“反應邊厚度與巖漿上升速率直接相關(guān)"的假設。換言之，單斜輝石反應邊并不適合作為“上升速率計時(shí)器"。

熔體混合與反應結晶的證據明確

在石英與反應邊之間普遍存在一層成分不同于背景基質(zhì)的熔體透鏡，其地球化學(xué)特征顯示出 SiO? 和TiO? 含量升高。這一變化說(shuō)明，在石英晶體融化過(guò)程中，局部形成了富硅熔體，與周?chē)|(zhì)巖漿發(fā)生小尺度混合，并促成了輝石的結晶。這一過(guò)程支持了非平衡條件下反應邊形成的機制，類(lèi)似于實(shí)驗巖石學(xué)中通過(guò)人為模擬所觀(guān)察到的“冠狀結構"。

展示了來(lái)自 Cinder Cone 火山灰按孔隙度遞增序的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。最左邊的圖像是金色火山灰團塊，中間的圖像是黑色火山灰團塊，而最右邊的圖像是致密火山灰團塊。

同化到噴發(fā)的時(shí)間窗口初步確定

盡管反應邊無(wú)法精確刻度上升速率，但研究者結合反應邊厚度與元素（Fe-Mg）擴散速率的實(shí)驗數據，推算出這些反應邊的形成時(shí)間大約在24小時(shí)到6年之間。這為巖漿從同化圍巖到最終噴發(fā)建立了一個(gè)具有實(shí)際意義的時(shí)間框架，補了火山學(xué)中“小時(shí)到年"尺度的時(shí)間空白。

PART  4 研究結論

本研究表明，辛德錐火山火山碎屑中廣泛存在的單斜輝石反應邊雖然不能作為巖漿上升速率的可靠計時(shí)器，但它們確實(shí)記錄了巖漿與地殼圍巖同化反應的微觀(guān)證據，并為火山噴發(fā)前的化學(xué)過(guò)程提供了寶貴線(xiàn)索。通過(guò)顯微 CT 與 SEM 的聯(lián)合應用，研究者不僅厘清了反應邊的成因，還成功構建了一個(gè)約 24 小時(shí)至 6 年的同化-噴發(fā)時(shí)間窗口。

這項研究展示了微觀(guān)結構分析在火山地質(zhì)學(xué)中的巨大潛力，特別是在傳統地球化學(xué)或地層學(xué)無(wú)法解答的問(wèn)題上，提供了一條可行的技術(shù)路徑。未來(lái)，該方法可推廣應用于全球其他含有石英異晶的玄武巖火山系統，為理解巖漿同化過(guò)程與噴發(fā)機制提供更多支持。

PART  5  Neoscan 顯微CT 的研究?jì)r(jià)值

在本研究中，Neoscan 顯微 CT 不僅提升了測量效率，更以其無(wú)損、高通量、三維成像的優(yōu)勢，實(shí)現了傳統磨片與二維圖像無(wú)法獲取的信息，具體優(yōu)勢如下：

1. 非破壞性：可在不切割樣品的前提下觀(guān)察晶體內部；

2. 高精度測量：支持微米級反應邊厚度統計分析；

3. 數據量大：同一顆樣品可測多個(gè)晶體，提升樣本代表性；

4. 與 SEM 互補：內部結構靠 CT，表面形貌與成分靠電鏡，匹配。

參考文獻

Carozza, Annabelle, "An Analysis of Clinopyroxene Reaction Rims as Assimilation Chronometers at Cinder Cone Volcano, Lassen National Volcanic Park, California" (2023). WWU Honors College Senior Projects. 766.